Thân máy nắp xy lanh

Thân máy nắp xy lanh

Mục lục

PHÂN CHIA CÔNG VIỆC 2

BÁO CÁO NỘI DUNG 3

I Điều kiện làm việc và yêu cầu 3

1 Điều kiện làm việc 3

2 Yêu cầu 3

II Trình bày phương án – Chọn phương án 4

1 Phương án kết cấu thân máy 5

2 Phương án kiểu chịu lực thân máy 6

3 Phương án lót xylanh 8

4 Phương án nắp xylanh 9

5 Phương án gioăng bao kín 13

III Thiết kế bố trí chung 14

1 Bản vẽ bố trí chung 14

2 Tính toán sơ bộ 16

IV Thiết kế kĩ thuật 16

1 Tính sức bền của lót xylanh 16

2 Tính sức bền của bu lông lắp ghép xylanh hoặc thân máy với hộp trục khuỷu 20 3 Tính sức bền của nắp xylanh 21

V THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ 23

VI THIẾT KẾ KINH TẾ 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

PHÂN CHIA CÔNG VIỆC

1 Điều kiện làm việc và yêu cầu (Ngô Văn Phúc)

1.1 Điều kiện làm việc

1.2 Yêu cầu

2 Trình bày phương án – chọn phương án

2.1 Phương án kết cấu (Đoàn Quốc Khương)

2.2 Phương án kiểu chịu lực (Nguyễn Minh Khoa)

2.3 Phương án lót xylanh (Nguyễn Hữu Vinh)

2.4 Phương án nắp xylanh

2.4.1 Nắp xylanh động cơ xăng (Lê Huy Vỹ)

2.4.2 Nắp xylanh động cơ diesel (Châu Thanh Tuấn)

2.5 Phương án gioăng bao kín (Nguyễn Xuân Tòng)

3 Thiết kế bố trí chung (Lê Trần Anh Vũ + Lê Thanh Tuyên)

4 Thiết kế kĩ thuật ( Ngô Văn Phúc + Lê Trần Anh Vũ )

5 Thiết kế công nghệ (Nguyễn Quang Sơn)

6 Thiết kế kinh tế ( Nguyễn Hữu Vinh )

BÁO CÁO NỘI DUNG

I Điều kiện làm việc và yêu cầu

1 Điều kiện làm việc

- Thân máy chi ̣u tải tro ̣ng đô ̣ng theo tình tra ̣ng mă ̣t đường

- Thân máy chi ̣u khoan các áo nước, khoan đường dầu

- Nắp xylanh chi ̣u khoan lỗ bắt gujông, lỗ dầu, cò mồ, bugi, kim phun

- Chịu lực khí thể (thân máy, nắp xylanh, gujông (bulông), lót xylanh, gioăng bao kín)

- Chịu lực siết (thân máy, nắp xylanh, vai lót xylanh, gioăng bao kín)

- Chịu nhiệt độ cao (thân máy, nắp xylanh, lót xylanh, gioăng bao kín)

- Chịu ứng suất nhiệt (nắp xylanh, lót xylanh)

- Chịu mài mòn (thân xylanh, lót xylanh, bạc lót ổ trục)

- Chịu ăn mòn hóa học (thân máy, nắp xylanh, lót xylanh)

- Chịu ăn mòn điện hóa (mặt ngoài lót xy lanh)

2 Yêu cầu

a Yêu cầu làm việc

- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, đồng thời tránh ứng suất nhiệt

- Có đủ sức bền và độ cứng vững để chịu đựng được tải trọng lớn và nhiệt độ cao

- Chi tiết phải có khối lượng nhỏ, thể tích nhỏ

- Chống ăn mòn hóa học tốt

- Đảm bảo bao kín xylanh, không bị lọt khí, rò nước

- Có buồng cháy tốt nhất để đảm bảo quá trình cháy của động cơ tiến hành thuận lợi nhất

- Đảm bảo bền khi khoan các lỗ xupap, các lỗ bugi hoặc kim phun trên nắp xylanh

- Đảm bảo độ cứng vững làm giá đỡ cho nhiều chi tiết lắp ghép trên nắp xylanh như trục cam, xupap, cò mổ…

- Đảm bảo độ bền và độ cứng vững khi khoan các đường dầu, các áo nước trong thân máy

- Đảm bảo làm mát đều, tản nhiệt tốt, đảm bảo dầu bôi trơn đến được những vị trí cần bôi trơn

b Yêu cầu chung

- Đảm bảo chất lượng tuổi thọ, độ bền ổn định

- Độ tin cậy cao

- Dễ dàng tháo lắp, bảo trì, bảo dưỡng, phụ tùng thay thế và điều chỉnh các cơ cấu khác lắp trên thân máy và nắp xylanh

- Giá thành hợp lý

- Tính thẩm mỹ, mẫu mã đẹp

- Có khối lượng nhỏ, gọn

II Trình bày phương án – Chọn phương án

Nắp xy lanh

động cơ xăng

Nắp xy lanh động cơ diesel

Thân máy kiểu thân máy hộp trục khuỷu Thân máy kiểu thân rời

Thân xy lanh , xy lanh

chịu lực

Vỏ thân chịu lực Gujông chịu lực Buồng cháy bán cầu

Buồng cháy hình chiêm

Buồng cháy khối ô van

`Buồng cháy hình Ricacđô Buồng cháy trực tiếp

Buồng xoáy lốc hình cầu phân thành hai nửa

Buồng cháy dự bị

Lót xy lanh

Lót xy lanh ướt

Lót xy lanh khô

Gioăng bao kín

Gioăng bằng đồng hoặc nhôm Gioăng bằng thép Gioăng bằng lá thép Gioăng bằng vật liệu mềm

1 Phương án kết cấu thân máy

1.1 Thân máy kiểu thân xylanh – hộp trục khuỷu

Hình 1 : Thân máy hộp trục khuỷu

 Ưu điểm :

- Có độ cứng vững tương đối lớn

- Được gia cố bằng các bản, các gân rất chắc

- Độ biến dạng của xylanh, ổ trục v.v… đều rất nhỏ

- Giảm bớt được mặt lắp ghép khiến cho gia công đơn giản

- Nhẹ và đỡ tốn kim loại

- Đảm bào được độ khít giữa thân xylanh và khoang làm mát

 Nhược điểm :

- Chế tạo rất khó, nhất là đối với các loại động cơ có đường kính xylanh lớn

- Gặp khó khăn trong quá trình sửa chữa

1.2 Thân máy kiểu thân rời

Hình 2 : Thân máy kiểu thân rời

1.2.1 Thân rời dùng nắp xylanh riêng

 Ưu điểm :

- Dễ chế tạo

- Thân máy có thể làm thân chung có nhiều xylanh tăng được độ cứng vững của động

cơ, rút ngắn chiều dài và giảm trọng lượng thân máy

- Thuận tiện cho việc sửa chữa

 Nhược điểm :

- Làm nắp xylanh riêng sẽ làm giảm độ cứng vững của động cơ

- Thân máy chỉ có một kiểu chịu lực dùng gujông

- Phải dùng gioăng đệm để tránh hiện tượng chảy nước và rò khí giữa thân máy và nắp xylanh

1.2.2 Thân rời liền nắp xylanh

 Ưu điểm :

- Thân máy có thể làm thân chung có nhiều xylanh tăng được độ cứng vững của động

cơ, rút ngắn chiều dài và giảm trọng lượng thân máy

- Nắp xylanh làm chung có thể tăng độ cứng vững của động cơ

- Thân máy có thể sử dụng ba kiểu chịu lực: xylanh chịu lực, vỏ thân chịu lực, xylanh chịu lực

 Nhược điểm :

- Chế tạo và bao kín rất khó khăn

- Không thuận tiện cho việc sửa chữa bằng làm riêng mỗi xylanh một nắp

- Phải dùng gioăng đệm để tránh hiện tượng chảy nước và rò khí giữa thân máy và nắp xylanh

→ Chọn phương án thân máy kiểu thân xylanh – hộp trục khuỷu

2 Phương án kiểu chịu lực thân máy

2.1 Thân xy lanh chịu lực

Hình 3 : Thân máy kiểu xy lanh chịu lực

A- Mặt lắp ghép với nắp máy B- Mặt bích phía trước

 Ưu điểm :

- Xylanh không chịu lực

- Dễ sửa chửa, thay thế các ống lót

 Nhược điểm :

- Chế tạo lót xylanh khó, mắc tiền

- Chảy nước hay dầu ở các ụ cấy gujông

2.3 Gujông chịu lực

Chú thích:

1- Hộp trục khuỷu

2- Thân xy lanh 3- Nắp xy lanh 4- Gujông nắp máy 5- Gujông thân máy 6- Lỗ lắp trục cam 7- Gujông toàn bộ 8- Đế máy

Hình 5 : Gujông chịu lực

 Ưu điểm :

- Dễ chế tạo

- Xylanh, thân xylanh không chịu lực

 Nhược điểm :

- Vật liệu làm gujông đòi hỏi độ mỏi cao, độ dẻo cao

→ Chọn phương án vỏ thân chi ̣u lực

- Gia công tương đối đơn giản

- Sửa chữa thay thế cũng dễ dàng

 Nhược điểm :

- Khó bao kín, dễ bị rò chảy nước xuống cacte làm hỏng dầu nhờn

- Độ cứng vững của lót xylanh ướt kém hơn lót xylanh khô

→ Chọn phương án lót xylanh ướt

4 Phương án nắp xylanh

4.1 Nắp xylanh động cơ xăng

4.1.1 Buồng cháy bán cầu

Hình 8 : Buồng cháy bán cầu

 Ưu điểm :

- Giảm bề mặt tiếp xúc, diện tích bề mặt nhỏ gọn

- Nắp máy ở buồng đốt có kết cấu đơn giản, nhỏ gọn

- Cường độ xoáy lốc thích hợp

- Giúp cho sự cháy diễn ra dễ dàng hơn

- Xupap nạp và thải bố trí ở 2 phía khác nhau, trục cam được bố trí ở giữa điều khiển hai xupap thuận lợi cho việc nạp hỗn hợp khí và thải khí cháy ra ngoài

 Nhược điểm :

- Tổn thất nhiệt trong quá trình cháy

- Làm ngắn đường đi của ngọn lửa

- Nếu đỉnh piston làm lồi để tăng tỷ số nén và tạo xoáy lốc thì trong buồng đốt sẽ cháy

dữ dội khó làm mát đỉnh piston

4.1.2 Buồng cháy hình chêm

Hình 9 : Buồng cháy hình chiêm

- Chiều cao nắp xylanh cần lựa chọn thích hợp

- Đòi hỏi làm đường gân gia cố để đảm bảo độ cứng

4.1.3 Buồng cháy khối ôvan

Hình 10 : Buồng cháy khối ô van

 Ưu điểm :

- Xupap nạp và thải bố trí cùng một phía, điều đó khiến cho có thể lợi dụng nhiệt của khí thải để sấy nóng đường ống nạp

 Nhược điểm :

- Xupap nạp và thải bố trí cùng một phía do đó khó khăn cho việc nạp hỗn hợp khí và thải khí ra ngoài

4.1.4 Buồng cháy Ricácđô

Hình 11 : Buồng cháy Ricacđô

 Ưu điểm :

- Kết cấu đơn giản dễ chế tạo

- Giảm được chiều cao của động cơ

- Cơ cấu phân phối khí đơn giản và dễ dẫn động

 Nhược điểm :

- Thân máy sẽ trở nên phức tạp, vì phải bố trí cơ cấu phối khí và thường thải, nạp trên thân máy

- Làm mát tại vùng xupap khó khăn hơn

4.2 Nắp xylanh động cơ diesel

4.2.1 Buồng cháy trực tiếp

Hình 12: Buồng cháy trực tiếp

 Ưu điểm :

- Cấu tạo đơn giản, dễ khởi động

- Nạp khí tốt

- Dễ dàng tạo xoáy lốc

- Tiết kiệm nhiên liệu, tiêu hao nhiên liệu thấp hơn khoảng 10% so với phun gián tiếp

- Tổn thất nhiệt ít, nhiệt độ khí xả thấp,hiệu suất nhiệt cao

 Nhược điểm :

- Tỷ số nén cao

- Phụ thuô ̣c vào chất lượng vòi phun

- Áp suất khí cháy tăng lên đô ̣t ngô ̣t nên tiếng ồn và đô ̣ rung cũng tăng theo

4.2.2 Buồng cháy xoáy lốc hình cầu phân thành 2 nửa

Hình 13 : Buồng xoáy lốc hình cầu phân thành 2 nửa

 Ưu điểm :

- Tạo xoáy lốc mạnh, tạo điều kiện cháy trọn vẹn

- Hiệu quả của quá trình cháy cao khi động cơ làm việc với tốc độ cao

 Nhược điểm :

- Tổn thất nhiên liệu, khó khởi động

- Kết cấu phức tạp do có thêm buồng cháy xoáy lốc

- Nhiê ̣t đô ̣ khí xả cao

- Khó khởi động

- Có kết cấu phức tạp do phải bố trí thêm buồng đốt phụ

→ Chọn phương án nắp động cơ xăng buồng cháy bán cầu

5 Phương án gioăng bao kín

5.1 Gioăng bằng đồng hoặc bằng nhôm

- Thân xylanh - hộp trục khuỷu

- Vỏ thân chi ̣u lực

Hình 20 : Mặt cắt nắp máy

Hình 21 : Mặt cắt thân máy

 Chú thích:

- L1, B1, H1, L2, B1 ,H2 lần lượt là các kích thước bao ( dài x rộng x cao) của thân máy và nắp máy

- Dnạp, Dthải: đường kính đế xupap nạp, thải

- Llót: chiều dài lót xylanh

- lx: khoảng cách tâm hai xylanh

IV Thiết kế kĩ thuật

1 Tính sức bền của lót xylanh

1.1 Xác định chiều dày của xylanh và lót xylanh

- Lót xylanh ươ ́ t :

 Giả thiết đă ̣t ra :

- Khi làm viê ̣c lót xylanh không đươ ̣c xoay nhưng có thể giãn nở tự do theo chiều do ̣c tru ̣c

- Đườ ng tâm lót xylanh thẳng góc với đường tâm tru ̣c khuỷu

- Khi siết bulông hoă ̣c gujông, lót xylanh không bi ̣ biến da ̣ng

- Xylanh và các chi tiết liên kết với nó có tĩnh đối xứng tru ̣c

- Đồng nhất về vâ ̣t liê ̣u

- Áp suất khí thể phân bố đều

 Điều kiê ̣n biên :

- Mặt ngoài liên kết với khối xylanh, mô ̣t đầu tiếp xúc với nắp xylanh, đầu còn la ̣i để tự do

- Trong quá trình động cơ hoạt động, hộp trục khuỷu ít chịu tải trọng cơ và nhiệt do đó chuyển vị theo phương Y của nó xem như không đáng kể

- Vì vậy, trong mô hình tính ta thay liên kết với hộp trục khuỷu bằng gối liên kết di động (bị hạn chế chuyển vị theo phương Y) Các mặt còn lại của xylanh, khối xylanh

và nắp xylanh không liên kết với chi tiết khác nên được xem như tự do

- Do tính đối xứng nên chuyển vị theo phương X của các điểm trên trục đối xứng thuộc nắp xylanh bằng 0 (UX = 0)

 Mu ̣c đích của viê ̣c xác đi ̣nh chiều dày xylanh, lót xylanh để đảm bảo bề dày của lót xylanh, xylanh chi ̣u được áp suất khí thể, nhằm tăng tuổi tho ̣ cho đô ̣ng cơ, tăng đô ̣ bền của lót xylanh,xylanh

- Ngoài ra xác đi ̣nh chiều dày xylanh, lót xylanh còn liên quan đến quá trình trao đổi nhiê ̣t giữa các vách xylanh với nhau

Hình 23 : Sơ đồ tính sức bền lót xy lanh

 Nếu xét đến tra ̣ng thái nhiê ̣t

- Ngoài tải cơ do áp suất khí cháy gây ra, mặt trong xylanh tiếp xúc với khí cháy nên

nó còn phải chịu tải nhiệt, các tải này không ổn định mà biến thiên theo chu trình hoạt động của động cơ

- Do sự giản nở của vật liệu làm lót và vỏ thân máy khác nhau dẫn đến mức độ giản nở khác nhau từ đó sinh ra ứng suất giữa mặt ngoài lót xy lanh và vỏ thân

- Phương chiều ứng suất nhiệt hướng từ mặt ngoài lót xy lanh đến vỏ thân

1.2 Tính sức bền của vai lót xylanh

Hình 24 : sơ đồ tính toán sức bền lót xy lanh

- Thông số đầu vào: chi ̣u lực nén Pg , lực ngang Nmax lực kéo, lực cắt, momen uốn

- Thông số đầu ra: đô ̣ bền vai lót xylanh chủ yếu do lực kéo, lực cắt, uốn khi dời lực Pg

- Mục đích của viê ̣c tính bền vai lót xylanh để đảm bảo vai lót xylanh chi ̣u được các ứng suất kéo, nén, uốn trong quá trình làm viê ̣c

Nguyên nhân: Trong quá trình làm viê ̣c áp suất lớn nhất trong quá trình cháy xảy ra ta ̣i điểm chết trên, nơi xảy ra ăn nhiều nhất của lót xylanh

- Việc cho ̣n các mă ̣t cắt I-I, II-II như hình vẽ, các mă ̣t cắt đó được cho ̣n đi qua nơi mà có tâ ̣p trung ứng suất nguy hiểm nhất, lớn nhất Nếu các ứng suất ta ̣i các nơi đó thỏa mãn điều kiê ̣n bền thì các ứng suất ta ̣i các tiết diê ̣n khác đều thỏa

a)Ứng suất trên tiết diện I-I

- Dời lực Pg về trọng tâm của tiết diện I-I rồi phân thành hai lực PH và PT, khi dời lực

Pg sẽ sinh ra momen uốn vai lót xylanh có giá trị Pgl

- Ứng suất kéo do lực PH gây ra

H k

m u

D h W





Trong đó : Dm – đường kính tính toán của tiết diê ̣n I-I

h – chiều rô ̣ng của tiết diê ̣n I-I

Trong đó : DII – đường kính của vành mă ̣t tru ̣ II-II

a – chiều cao của vành mă ̣t tru ̣ II-II

Ứng suất cắt cho phép  c 40 MN/m 2

- Ứng suất nén do lực Pg gây ra

g n

Trong đó : b – chiều rô ̣ng của rãnh bao kín

Gioăng nắp xylanh là loa ̣i gioăng mềm, ứng suất cho phép

- Ứng suất nén trên mặt tựa phía dưới vai lót xylanh

- Ứng suất uốn do lực ngang N gây ra

ax 1 2 1

4 4 1

l1 và l2 – khoảng cách từ điểm tựa phía trên và phía dưới tới vi ̣ trí xuất hiê ̣n lực ngang lớn nhất Nmax

Ứng suất uốn cho phép nằm trong pha ̣m vi

 u 20 MN/m 2

2 Tính sức bền của bu lông lắp ghép xylanh hoặc thân máy với hộp trục khuỷu

- Giả thuyết :  Các bu lông chịu lực siết bằng nhau

 Các bu lông chịu lực kéo nén đúng tâm

 Bỏ qua ma sát trên bề mặt ren

- Các bulông lắp ghép này chịu lực khí thể

 Phương chiều ứng suất kéo: theo phương do ̣c tru ̣c bulông

 Điểm đă ̣t lực: ta ̣i tâm mă ̣t cắt ngang của bulông

 Xét ta ̣i vi ̣ trí tiết diê ̣n bé nhất của phần ren trên bulông

 Tính toán trong trường hợp chi ̣u áp suất khí thể lớn nhất là pz

- Ứng suất kéo bulông (hoặc gujông) được xác định theo công thức sau:

if

z k

MN/m 2

Trong đó: k – hệ số siết chặt bu lông ;

G – trọng lượng thân máy và nắp xy lanh (MN) ;

3 Tính sức bền của nắp xylanh

 Các lực tác dụng: ứng suất sinh ra trong nắp xylanh là do nó chịu lực khí thể Pz, lực siết gujong Pbđ, phản lực sinh ra tại miệng nắp Pf và do trạng thái nhiệt không đồng đều của nắp xylanh sinh ra

 Giả thiết đặt ra:

o Tiết diện tính toán là đi qua hai đường tâm xupap nơi có tiết diện nhỏ nhất: x-x

o Áp suất khí thể pz phân bố đều trên diện tích có đường kính Df

o Do ta chọn loại nắp xylanh làm liền bốn nắp với nhau nên để dễ tính toán

ta chỉ tính toán một phần nắp tương ứng nằm trên một xylanh Coi như hình dạng nắp là hình vuông

o Để xuất hiện momnet uốn tại mặt x-x ta chỉ xét trên nửa hình vuông Khi

đó, lực khí thể tập trung tại trọng tâm nửa diện tích nắp tròn có độ lớn Pz/2

và lực siết gujong - bulong tập trung trên trọng tâm nửa hình vuông

o Để dễ khảo sát phần tính toán nhiệt ta giả thiết cho nhiệt độ phân bố tuyến tính tăng dần từ đầu nắp đến mặt tiếp xúc thân máy

Hình 25 : Một phần nắp khối ô van

 Các trường hợp cần tính toán:

o Khi động cơ không làm việc (Pz=0): chỉ có lực Pbđ, phản lực Pf tác dụng lên nắp xylanh Ta có thể thấy phương và chiều của các các lực tác dụng lên nắp xylanh ở (hình 26) Từ hình chiếu cạnh của nắp xylanh ta thấy mặc

dù độ lớn của hai lực Pbđ, Pf là bằng nhau (Pbđ = Pf), nhưng do khoảng cách đặt lực

2

L

,y khác nhau nên sinh ra moment gây uốn Mu Do đó tạo ra ứng suất kéo ở mặt nguội ( mặt phía trên) và ứng suất nén ở mặt nóng (mặt phía dưới) qua mặt phân cách trọng tâm i Do kết cấu nắp xylanh không phân bố đồng đều theo chiều cao nên mặt phẳng trọng tâm i thường thấp hơn mặt phẳng trung tâm một ít